前沿 2019-10-16 19:10

飞机内饰行业积极追求降低结构重量的热塑性塑料

陈济桁 摘自 复合材料世界网站

威格斯(Victrex)为赛峰客舱(Safran Cabin)开发的飞机储物箱支架集成了两个用聚醚醚酮(PEEK)树脂注塑成型的碳纤维/聚芳醚酮插槽,通过这样的方式减少了50%的重量,降低了20%的制造成本,并大大提高了装机成材率。

【据复合材料世界网站2019年9月20报道】赛峰客舱、威格斯(Victrex)和Tri-Mack塑料公司合作将航空应用的铝制储物箱改为注塑成型的热塑性复合材料,此次改进的成功也证明了热塑性复合材料在航空内饰领域拥有广阔的应用前景。

在考虑将飞机中的金属材料结构逐步转换为复合材料时,大多数比较容易实现的目标,如机翼、机身和尾部结构,都完成了由金属材料向复合材料的过渡。事实上,在飞机内部,仍然存在一些部件可以转换为复合材料部件,尤其是热塑性复合材料将在其中扮演重要角色。

其中一种满足上述要求的部件是很少见、但又非常重要的一类:飞机内饰支架。这些支架是将飞机内部的隔板、盥洗室、厨房和行李存储箱连接到地板和机身的托架,目前多采用铝合金制造。这些支架存在多种形状和尺寸,具体将取决于它们安装的部位。每个支架本身的重量并不大,但由于每架飞机都需要安装成百上千个支架,因此其总重量仍然占据飞机的很大比重。

飞机内饰专家赛峰客舱公司已经意识到了这一点,最近该公司与热塑性复合材料专家英国威格斯公司和美国制造商Tri-Mack塑料制造公司合作,通过利用由威格斯PEEK(聚醚醚酮)150CA30聚合物注塑成型,并与VICTREX AE 250碳纤维/聚芳醚酮(PAEK)相结合,完成新的支架设计制造,实现了对传统铝制储物箱支架的改进和替代。

正在进行物理实验的注塑成型支架

这款全新设计的支架具有一个矩形底座,该底座带有两个嵌入底座中心的垂直嵌件行程插槽。底座的每个角落都有一个模制开孔,用于容纳紧固件实现固定。垂直嵌件顶部也都留有开孔,用于插入固定销和其他硬件。其中,垂直嵌件由碳纤维/PAEK材料制成,支架底座则由PEEK树脂注塑成型制成。

威格斯与Tri-Mack合作,在实现设计功能并满足关键性能参数方面提供了材料、工艺和工具等专业知识。赛峰客舱公司在内饰设计和制造方面的提供了专业的服务,确保部件在航空服务和认证环境中的适用性。

威格斯(Victrex)公司航空战略业务部总监蒂姆·赫尔表示,垂直嵌件是由位于加拿大帝芬巴赫的Fiberforge工厂制造,该产品需要在平面模具上铺设了2英寸碳纤维/PAEK带,用来制造层压板。通过对层压板进行压实、边缘修整,然后进行水刀切割以制成片状嵌件。在水刀切割过程中,每个嵌件的底部都留有缺口,方便在注塑成型过程中与底座表面形成机械互锁,牢固固定。

之后,将嵌件放入工具中,使用PEEK进行注塑成型,在这一过程中,将会利用注入PEEK形成底座同时与PAEK嵌件结合进行固定。赫尔表示,此这项研究获得应用的关键就是实现PAEK与PEEK的结合。PAEK的工艺温度比PEEK的工艺温度低约40℃。这一温度差有利于两种不同材料制成的部件事项紧密持久的结合。赫尔认为,如果没有PAEK,这种混合成型的方式将很难实现。

设计载荷条件下新型储物箱支架的性能仿真图像

这种设计/工艺组合需要进行大量的仿真、分析、原型设计和物理测试。通过这些分析测试工作,威格斯公司可以识别出一些设计和工艺缺陷,包括嵌件变形、树脂流动迟缓、粘结/界面失效破坏和接口空隙等。这可以使设计师回到图纸上优化设计,使制造工程师回到注塑成型等工艺中进行一些过程优化。最终的设计/工艺组合克服了种种挑战,并证明了热塑性复合材料注塑成型支架的可行性。

最初的原型支架由Tri-Mack完成生产,与目前应用的铝制部件相比,复合材料支架原型件节省了20%的成本,降低了50%的重量,并且使材料的装机成材率提高了5倍。

赛峰客舱公司的研发工程师泰勒·史密森表示,使用热塑性复合材料需要满足飞机支架和类似结构零部件的许多要求,不同的承力部位都存在很多载荷、约束和暴露条件。成功的关键是开发一类可用于多种场景的、灵活的复合材料平台,降低我们飞机的零部件数量和设计复杂度,缩短产品上市时间,更快的获取收益。

威格斯公司表示,混合注塑成型工艺是一种可扩展、可重复的技术,具有帮助商用航空航天客户降低废品率、加快研制周期、促进零部件集成、减少二次加工的潜力。

在对支架进行第二次设计迭代之后的测试结果表明,载荷极限和失效条件有了实质性的改善

威格斯公司对于能够为航空工业引入这一“颠覆性”技术而感到自豪,同时也对利用针对PAEK材料和性能方面的专业知识来加速热塑性复合材料产品的商业化进程而感到自豪。公司表示,混合注塑成型和VICTREX AE 250复合材料的应用仅仅是开始,未来威格斯将在客户和合作伙伴的支持下继续对复合材料产品进行测试和优化,激发这类材料的全部潜力。

目前,这款支架的最终测试和生产零部件的最终鉴定即将完成。赫尔表示,计划在2019年晚些时候能够给正式将复合材料支架正式投入使用。

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